AI 광통신 시대: CPO를 위한 3대 산업 변화

Co-Packaged Optics(CPO)는 새로운 유형의 광전자 통합 기술입니다. CPO는 고급 패키징 기술을 기반으로 하며, 광 트랜시버 모듈과 ASIC(Application-Specific Integrated Circuit) 칩을 단일 패키지로 통합하여 특정 기능을 갖춘 마이크로시스템을 형성합니다.

CPO 기술은 광 신호 입력과 컴퓨팅 장치 간의 전기적 상호 연결 길이를 더욱 단축합니다. 이는 광 모듈과 ASIC 칩 간의 상호 연결 밀도를 높일 뿐만 아니라 전력 소비를 낮추는 데에도 도움이 됩니다. 이는 향후 빅데이터 처리에서 방대한 데이터의 고속 전송 문제에 대한 중요한 기술적 솔루션입니다.

Cisco 데이터에 따르면 2010년부터 2022년까지 글로벌 데이터 센터의 네트워크 스위칭 대역폭은 80배 증가했습니다. 그러나 이에 따른 트레이드오프는 스위칭 칩 전력 소비가 8배 증가하고, 광 모듈 전력 소비가 26배 증가하고, 스위칭 칩의 SerDes(Serializer/Deserializer) 전력 소비가 25배 증가했습니다. 광 인터페이스는 아날로그-디지털 하이브리드 SerDes 기술에 의존하기 때문에 에너지 효율성이 ASIC 부분보다 느리게 발전합니다. 광 인터페이스의 비트당 비용과 전력 소비 감소율은 스위치 ASIC보다 훨씬 뒤떨어집니다. 전력 소비를 더욱 줄이려면 SerDes의 거리를 줄이거나 SerDes의 수를 줄여야 합니다. 따라서 OBO(On-Board Optics), NPO(Near-Packaged Optics), CPO와 같은 새로운 기술이 광 상호 연결 시스템 아키텍처에 등장했습니다.

AI 광통신 시대의 CPO의 주요 산업 변화

실리콘 광자기술의 가속화된 개발, CPO 실리콘 광자엔진의 지속적인 성숙

CPO의 핵심 기술인 실리콘 광자공학 엔진은 AI 광통신 시대에 빠르게 성숙하고 있습니다. 실리콘 광자공학 기술은 광자공학과 마이크로 전자공학을 통합하기 위한 이상적인 플랫폼입니다. "전자 컴퓨팅, 광 전송"을 특징으로 하는 오늘날의 정보 사회에서 마이크로 전자공학/광전자공학의 기술적 병목 현상이 점점 더 분명해지고 있습니다. 성숙한 CMOS 마이크로 전자 공정과 호환되는 실리콘 기반 광전자공학은 광자공학과 마이크로 전자공학을 통합하기 위한 최상의 솔루션이 될 것으로 예상됩니다. 현재 CPO 광학 엔진의 주류 솔루션인 실리콘 광자공학 기술의 성숙은 CPO 개발을 더욱 촉진할 것으로 예상됩니다.

(1) 실리콘 포토닉스 기술 응용 측면에서 실리콘 포토닉스 기술은 실리콘 포토닉스 모듈, CPO, OIO 광 엔진의 기반 기술로 작용합니다. 고속 시대에 실리콘 포토닉스 광통신의 확장은 실리콘 포토닉스 엔진 기술의 성숙을 더욱 촉진할 것으로 예상됩니다.

광통신 기술로서의 실리콘 포토닉스는 AIGC(AI-Generated Content)의 개발로 인해 최대한의 혜택을 볼 것으로 기대됩니다. 칩 측(OIO), 디바이스 측(CPO), 디바이스 간 광 모듈 또는 데이터 센터 간의 코히어런트 광 통신 등 데이터 센터의 실리콘 포토닉스 기술은 더욱 발전할 것으로 기대됩니다.

• 실리콘 포토닉스의 개발 속도 측면에서 볼 때, 글로벌 기업은 실리콘 포토닉스 기술 개발을 적극적으로 추진하고 있으며, 실리콘 포토닉스 산업 사슬을 더욱 개선하고 있습니다.

현재 실리콘 포토닉스 기술 산업은 여전히 ​​발전 중이며 산업 사슬은 점차 형성되고 있습니다. 현재 최첨단 연구 기관, 설계 도구 공급업체, 장치 칩 모듈 공급업체, 파운드리, IT 회사, 시스템 장비 제조업체 및 사용자를 포함한 다양한 측면을 포괄합니다. 2010년경 실리콘 포토닉스 연구 시스템은 학계가 주도하는 시스템에서 제조업체가 주도하는 시스템으로 전환되기 시작했습니다. 실리콘 포토닉스 기술에는 몇 가지 주요 개발 모델이 있습니다.

• 국가 프로젝트 지원: 예를 들어, 미국은 2014년에 "국가 광자학 이니셔티브"를 시작하여 통합 광자학 연구소를 만드는 데 자금을 지원했습니다. 이후 2015년에 AIM 광자학 연구소가 610억 XNUMX만 달러를 투자하여 통합 광자학 플랫폼을 표준화하고 다양한 산업 체인 세그먼트를 하나로 모으기 위해 설립되었습니다. 다른 글로벌 관련 연구 프로젝트 및 기관에는 EU의 Leti 실리콘 광자학 모듈 대량 생산 연구 프로그램이 있습니다.
• IT 거대 기업의 투자: 인텔과 IBM과 같은 회사는 2003년경부터 실리콘 광자공학 기술 연구에 전념하여 장기적이고 상당한 투자를 해왔습니다.
• 소규모 스타트업: 처음에는 벤처 캐피털에서 자금을 조달한 이 회사들은 나중에 지속적인 투자를 위해 대기업에 인수되며, 이는 실리콘 포토닉스의 핵심 개발 모델입니다. 예로는 Acacia와 SiFotonics가 있습니다.
• 떠오르는 스타트업: 일부 새롭게 떠오르는 스타트업도 실리콘 광자공학 개발에 크게 기여하고 있습니다.

(3) 실리콘 광자공학 산업 기회 관점에서 실리콘 광자공학 솔루션의 번영은 지속적으로 증가하고 있으며, 이는 기업이 CPO 산업에 진입할 수 있는 유리한 기회를 제공합니다.

제25회 중국 국제 광전자 박람회(CIOE 2024)가 11년 13월 2024일부터 XNUMX일까지 선전 국제 컨벤션 및 전시 센터에서 개최되었습니다. AI의 주도로 광전자 칩과 광학 장치/엔진에서 광 모듈로의 빠른 업그레이드가 가속화되었습니다. 동시에 실리콘 포토닉스/CPO/박막 리튬 니오베이트/코히어런트 광학으로 대표되는 새로운 기술이 지속적으로 성숙해지고 있습니다. 그 중에서도 실리콘 포토닉스 기술의 성숙도와 시장 관심이 크게 증가했으며, 수많은 회사가 실리콘 포토닉스 기술에 투자하고 있습니다.

선도적 제조업체, CPO 적극 도입해 산업 발전 촉진

주요 칩 제조업체는 적극적으로 배포하고 있습니다. CPO 기술, 지속적으로 실리콘 포토닉스 CPO 프로토타입을 출시합니다. Intel, Broadcom, Raonvus, AMD, Marvell, Cisco를 포함한 주요 칩 제조업체에서 다양한 CPO 솔루션을 도입했으며, 모두 최근 OFC 전시회에서 CPO 프로토타입을 선보이며 스위칭 용량을 늘리고 전력 소비를 줄였습니다. Nvidia 및 TSMC와 같은 회사도 CPO 계획을 시연했습니다. 한편으로는 주류 솔루션인 실리콘 포토닉스 엔진을 기반으로 하는 CPO 기술이 실리콘 포토닉스 기술 개발의 혜택을 볼 가능성이 높다고 생각합니다. 다른 한편으로는 선도적인 제조업체의 진입으로 CPO 산업 체인의 개선 및 개발이 더욱 가속화될 것으로 예상됩니다.

인텔은 플러그형 광 모듈과 마이크로링 변조기를 적극적으로 연구하고 개발해 왔습니다. 2020년부터 실리콘 포토닉스 공정 플랫폼을 활용하여 마이크로링 변조기를 기반으로 하는 CPO(Co-Packaged Optics) 시스템을 구축해 왔습니다. "OFC 2020" 컨퍼런스에서 인텔은 1.6Tbit/s 실리콘 포토닉스 엔진과 12.8Tbit/s 프로그래밍 가능 이더넷 스위치를 통합한 최초의 CPO 프로토타입을 소개했으며, 아키텍처 설계에서 열 관리도 고려했습니다. 2024 IEEE ISSCC에서 인텔은 CPO 기술의 최신 발전을 발표하여 4pl/bit에 불과한 낮은 시스템 전력 소비로 64x1.3Gb/s의 신호 전송 속도를 달성했습니다. Intel과 Ayar Labs는 수년간 협력해 왔으며, Supercomputing 4 컨퍼런스에서 두 개의 2023Tb/s TeraPHY OIO 칩렛을 Intel Agilex FPGA에 임베딩하는 방식을 선보였습니다. 이는 각 칩렛에 64개의 광채널이 있는 고속 광통신을 구현하는 두 개의 SuperNova 광원으로 지원됩니다.

Broadcom은 "OFC 2022" 컨퍼런스에서 25.6Tbps Tomahawk4 스위치 칩과 광 엔진을 결합한 최초의 CPO 스위치를 공개했습니다. Broadcom은 2023년에 5Tbps의 스위칭 용량을 특징으로 하고 전력 소모량이 51.2W에 불과하며 다음을 지원하는 Strata Tomahawk XGS5.5를 출시했습니다. 800Gbps 데이터 속도. "OFC 2024" 컨퍼런스에서 Broadcom은 업계 최초의 51.2Tbps CPO 이더넷 스위치인 Bailly를 고객에게 제공했다고 발표했습니다. 이 제품은 6.4개의 5Tbps 실리콘 포토닉스 광학 엔진을 StrataXGS Tomahawk70 스위치 칩과 통합하여 광학 상호 연결 전력 소비를 XNUMX% 줄이고 실리콘 영역 효율성을 XNUMX배 높였습니다.

Ranovus는 "OFC 2.0" 컨퍼런스에서 Odin 브랜드 아날로그 구동 CPO 2021 아키텍처를 출시했습니다. IBM, TE, Senko와 협력하여 개발한 이 아키텍처는 리타이밍 기능을 제거하고 IC 효율적인 단일 칩 솔루션을 구현하여 전력 소비를 40% 줄이고 비용을 절감합니다. "OFC 2023"에서 Ranovus는 800G 직접 구동 실리콘 광자 엔진과 AMD의 FPGA 칩을 결합한 것을 시연했습니다.

마벨은 "OFC 1.6" 컨퍼런스에서 2022Tbit/s 대역폭의 첫 번째 CPO 프로토타입을 선보였습니다. "OFC 2023"에서 마벨은 51.2Tbit/s 스위칭 칩을 소개했습니다.

Cisco는 "OFC 25.6"에서 CPO 기술 기반의 2023T 스위치 프로토타입을 시연했습니다. 여기에는 각각 3.2개의 XNUMXT 실리콘 광자공학 엔진이 장착되어 있습니다. 400G-FR4 각 광 엔진이 100Gbps의 단일 채널 속도를 갖춘 실리콘 광자 칩입니다.

엔비디아는 실리콘 포토닉스 CPO를 개발해 왔습니다. 엔비디아는 "2020 GTC" 컨퍼런스에서 CPO를 통해 GPU와 스위치 칩을 상호 연결하는 시스템 아키텍처 다이어그램을 선보였으며 TSMC 및 Ayar Labs와 같은 회사와 적극적으로 협력하여 CPO 기술을 개발해 왔습니다.

TSMC는 2017년에 Luxtera와 협력하여 12nm 노드에서 65인치 실리콘 포토닉스 공정 플랫폼을 개발하기 시작했습니다. 이후 TSMC는 고급 패키징을 도입하고 COUPE1.0/2.0 플랫폼을 출시했으며, 6.4년까지 2025Tbps 광학 엔진을 달성하는 것을 목표로 하는 개발 로드맵을 가지고 있습니다.

TSMC가 COUPE 플랫폼 출시를 발표했습니다. TSMC는 2024년 북미 기술 심포지엄에서 3D 광학 엔진 로드맵을 공개하여 TSMC에서 제조한 프로세서에 최대 12.8Tbps의 광학 연결을 제공할 계획이라고 밝혔습니다. 구리 케이블로는 증가하는 대역폭 수요를 충족할 수 없기 때문에 실리콘 포토닉스는 미래 데이터 센터에 중요한 기술이 될 것으로 예상됩니다. Compact Universal Photonics Engine(COUPE)은 실리콘 포토닉스 분야에서 중요한 성과 중 하나입니다. 이 기술은 TSMC의 SoIC-X 패키징 기술을 활용하여 광자 집적 회로(PIC) 위에 전자 집적 회로(EIC)를 쌓아 EIC-on-PIC 구조를 형성합니다. 이 구조는 칩 간 인터페이스에서 가장 낮은 임피던스를 달성하여 최대 에너지 효율을 달성합니다. 또한 COUPE는 컴팩트한 통합 설계, 광범위한 파장 호환성, 효율적인 광전자 변환, 확장성 및 유연성을 갖추고 있어 다양한 광 상호 연결 애플리케이션에 적합하고 다양한 요구 사항을 충족합니다.

현재 TSMC의 3D 광학 엔진은 개발 단계에 있으며, 전송 속도를 점진적으로 향상시키고 광학 연결을 프로세서에 더 가깝게 만들 계획입니다. COUPE 개발 계획에는 전송 속도를 높이고 전력 소비를 줄이는 데 중점을 둔 XNUMX단계가 포함됩니다.

1. 2025: TSMC의 3세대 1.6D 광학 엔진은 XNUMXTbps 속도로 작동하는 OSFP 플러그형 장치에 통합되어 현재 구리 기반 이더넷 솔루션의 최대 속도를 두 배로 늘릴 것입니다. XNUMX세대 COUPE는 고대역폭을 달성하고 전력 효율성을 개선하는 것을 목표로 하며, 이는 모두 현대 데이터 센터에서 중요한 문제입니다.
2. 2026: TSMC의 6.4세대 실리콘 광자공학 제품은 COUPE를 CoWoS 패키징에 통합하여 스위치 칩과 광 장치의 공동 패키징을 달성할 계획입니다. 이를 통해 최대 50Tbps의 속도로 마더보드 수준의 광 상호 연결이 가능해집니다. 10세대 전력 소비는 XNUMX세대의 XNUMX% 미만으로 예상되며 대기 시간은 XNUMX세대의 XNUMX% 미만으로 예상됩니다.
3. 12.8세대: 목표는 COUPE를 프로세서 패키징에 통합하는 것이며, COUPE는 CoWoS Interposer에서 작동하여 XNUMXTbps의 전송 속도를 목표로 하고 광 연결을 프로세서에 더 가깝게 가져옵니다. 이 단계는 아직 명확한 출시 날짜가 없는 탐색 단계이지만 TSMC는 전력 소비와 대기 시간을 더욱 줄이는 것을 목표로 합니다.

AI 시대와 고속 스위치 수요 증가

AI 시대는 고속 스위치에 대한 수요를 주도하고 있으며, CPO 솔루션의 장점을 강조합니다. 광 상호 연결이 랙과 컴퓨팅 시스템에 점점 더 침투함에 따라, 광 통신 네트워크의 중앙 네트워크 장치인 스위치는 AI 클러스터의 증가하는 요구 사항을 충족하기 위해 고속, 다중 포트 및 저전력 소비로 진화하고 있습니다. AI 시대는 CPO 솔루션 스위치에 대한 상당한 시장 기회를 제공합니다.

AI의 대역폭 개발은 상호 연결 속도의 진화를 가속화합니다. 2019년 이후 글로벌 데이터 센터 산업은 컴퓨팅 파워 센터 단계에 진입했습니다. Cisco 데이터에 따르면 글로벌 데이터 센터 네트워크 스위칭 대역폭은 80년에서 2010년 사이에 2022배 증가했습니다. AIGC(인공지능 생성 콘텐츠)의 급속한 개발은 네트워크 아키텍처 업그레이드와 GPU 가속 반복을 더욱 촉진하여 장치 간에 더 높은 대역폭에 대한 수요를 증가시켰습니다. 2023년이 AI의 첫 해를 기념하면서 상호 연결 속도는 절반의 시간에 두 배가 되었습니다. 데이터 센터 스위치 칩의 진화는 현재 102.4년마다 용량을 두 배로 늘리는 단계에 있으며, 2025년까지 1.6T 광 포트에 해당하는 XNUMXT 용량에 도달할 것으로 예상됩니다.